إلى أي مدى تكون الزجاجات الفارغة فارغةً حقًّا؟

المفاهيم الرئيسية

الفيزياء

الضغط

مبدأ برنولي

تدفق الهواء

مقدمة

هل تعلم أنَّ الطائرات والصوت بينهما شيءٌ مشترك؟ هل يمكنك أن تخمن هذا الشيء؟ إنَّه ضغط الهواء! ومن المثير للدهشة أنَّ الهواء، هذا الشيء غير المرئي شديد الميوعة، يمكنه أن يتسبب في عددٍ مذهل من الظواهر المدهشة. وفي هذا النشاط، ستستخدم أنفاسك كي تنفخ كرةً صغيرة من الورق، وتحاول دفعها إلى داخل زجاجةٍ فارغة. يبدو الأمر بسيطًا، أليس كذلك؟ جرب إذًا وسترى بنفسك!

معلوماتٌ أساسية

في الفضاء العميق توجد مناطق فارغة تمامًا، تخلو من المادة بكل صورها. ويطلق العلماء على هذه الحالة من غياب المادة اسم «الفراغ». أمَّا على الأرض، فمن الممكن لكأسٍ أو زجاجةٍ أن تبدو فارغةً، لكنَّ هذا الفراغ يختلف عن الفراغ الحقيقي في الفضاء الخارجي. ففي حقيقة الأمر، لا يوجد فراغٌ داخل هذه الأوعية، وإنَّما يوجد هواء. وهذا الهواء، الذي لا تراه أعيننا، يتألف في حقيقته من جسيماتٍ دقيقة تتحرك باستمرار.

وعندما لا تكون هناك أي مؤثراتٍ على هذا الهواء (الذي يُعد من الغازات)، فإنَّه سيحاول خلق حالةٍ من التوازن، بمعنى أنَّه سيحاول موازنة توزيع جسيماته وحركتها. وتصير هذه الظاهرة مثيرةً للاهتمام عندما نتسبب في أي اضطرابٍ لهذا التوازن، كما يحدث عند مرور جناح الطائرة عبر الهواء، أو عندما تدفع الطبلة المهتزة جسيمات الهواء معًا بإيقاعٍ منتظم. ففي القرن الثامن عشر، لاحظ العالم السويسري دانييل برنولي أنَّ الأماكن التي يتحرك فيها الهواء بسرعة يقل فيها الضغط الجوي، مقارنةً بالأماكن التي يتحرك فيها الهواء ببطء. وبينما يسعى الهواء جاهدًا إلى إرساء حالة التوازن مرةً أخرى، فإنَّه يحاول تلقائيًّا الانتقال من المنطقة ذات الضغط الجوي المرتفع إلى المنطقة ذات الضغط الجوي المنخفض. وهذه الحركة هي ما يسبب القوة الدافعة التي ترفع جناح الطائرة، والصوت الذي تصدره الطبلة، وغير ذلك من الظواهر.

هل من الممكن إذًا للفرق في الضغط الجوي أن يصعب عليك نفخ كرةٍ من الورق إلى داخل زجاجةٍ “فارغة”، رغم السهولة التي تبدو بها تلك العملية؟ جرب النشاط التالي واكتشف بنفسك!

المواد اللازمة للتجربة

• قطعة مربعة من ورق الطباعة، طولها أربع بوصات.
• زجاجة بلاستيكية ذات فوهةٍ واسعة، سعتها تتراوح تقريبًا بين 500 و800 ملليلتر (بين 17 و27 أوقية). وإذا كانت الزجاجة المتوافرة لديك ذات فوهةٍ عادية وليست واسعة، استخدم ورقةً طولها أربع بوصات وعرضها بوصتان لصنع الكرة الورقية.
• طاولة، أو أي سطح مستوٍ آخر.
• أنبوب من الورق المقوى، مثل ذلك الموجود في لفافات المناديل الورقية.
• شخصٌ يساعدك.
• كرات صغيرة. (اختيارية)
• زجاجات أو برطمانات أخرى. (اختيارية)
• قشة مص. (اختيارية)

التحضير

• كوِّم قطعة الورق في شكل كرةٍ محكمة. وينبغي لها أن تكون صغيرةً بما يكفي لتمر بسهولة عبر فوهة الزجاجة.

الطريقة

• ضع الزجاجة على جانبها، بحيث تكون فوهتها مواجهةً لك. واطلب ممن يساعدك أن يضغط على الفوهة إلى الأسفل بحيث تلامس السطح المستوي الذي تُجريان عليه التجربة.
• ضع الكرة الورقية أمام فوهة الزجاجة، على مسافة حوالي 2.5 سنتيمتر (بوصة واحدة) منها.
• سنحاول الآن نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة. ما مدى صعوبة ذلك في رأيك؟
• جرب نفخ الكرة. هل سار الأمر كما توقعت؟
• تبادل الأماكن مع مَن يساعدك. هل يمكنه نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة؟
• تناقش معه حول الأفكار التي يمكن أن تسهل نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة. وجرب الأفكار الواعدة منها. وإذا نجح بعضها، فما الذي جعلها -في رأيك- تنجح حين فشلت الحلول الأخرى؟
• قد يساعدك تأمُّل حالاتٍ مشابهة في تفسير الصعوبة غير المتوقعة لنفخ الكرة الورقية إلى داخل الزجاجة. جرب مثلًا دحرجة الكرة إلى داخل الزجاجة بيدك. هل هذا صعب؟ ما الاختلاف بين دحرجة الكرة بيدك ونفخها؟
• ضع أنبوب الورق المقوى بحيث تكون إحدى فتحتيه مواجهةً لك، ثم ضع الكرة على مسافة 2.5 سنتيمتر أمام فتحة الأنبوب. والآن سنجرب نفخ الكرة إلى داخله. ما مدى صعوبة ذلك في رأيك؟
• جرب الأمر. هل سار كما توقعت؟
• قارن الأنبوب بالزجاجة. ما هي أوجه الشبه والاختلاف؟ وما الاختلاف الذي يزيد صعوبة نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة؟ هل يمكنك أن تفكر في طرقٍ لاختبار تفسيرك؟
• نشاط إضافي: أحضِر كراتٍ صغيرة أو اصنعها بأشياء موجودة في المنزل. ما الأسهل، نفخ الكرات الخفيفة أم الثقيلة؟
• نشاط إضافي: استخدم زجاجاتٍ أو برطمانات أخرى بدلًا من الزجاجة البلاستيكية. هل يمكنك نفخ الكرة إلى داخل هذه الأوعية؟ لماذا تعتقد أنَّك حصلت على تلك النتائج؟
• نشاط إضافي: استخدم قشة المص كي توجه الهواء الذي تنفخه نحو الكرة مباشرةً. هل يمكن لذلك أن يساعدك في نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة؟

المشاهدات والنتائج

على الأرجح ستجد صعوبةً مذهلة في نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة دون استخدام أي أدوات، لكنَّك ستتمكن من نفخها بسهولة إلى داخل الأنبوب، أو دحرجتها بيدك إلى داخل الزجاجة.

فرغم أنَّ كلًّا من الزجاجة والأنبوب يبدوان فارغين، فإنَّهما ممتلئان بالهواء. والهواء الموجود داخل الأنبوب يمكنه التدفق بحُرية من طرفيه، أما الهواء الموجود داخل الزجاجة فلا يمكنه الخروج إلا من الفوهة.

وحين تنفخ بفمك، فإنَّك تخلق تيارًا من الهواء، ومن الممكن لحركة الهواء هذه أن تحرك معها كرةً خفيفة. وعندما تنفخ الهواء نحو الأنبوب، فإنَّ الهواء أمام الأنبوب يدفع الهواء الموجود بداخله، بحيث يخرج من الطرف الآخر. وتتحرك الكرة مع تيار الهواء وتدخل في الأنبوب. لكن عندما تنفخ نحو فوهة الزجاجة، فإنَّ الهواء الذي تنفخه والكرة التي تتحرك معه يبدوان وكأنَّهما يرتدان عن الهواء الموجود بالفعل داخل الزجاجة، إذ لا يوجد مكانٌ آخر ليتحرك إليه هذا الهواء. ولهذا لا تدخل الكرة في الزجاجة.

ويمكنك أيضًا استخدام ملاحظة برنولي في تفسير سبب عجزك عن نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة. فالهواء الموجود داخل الزجاجة يتحرك ببطء، لذا فإنَّ ضغطه أعلى مقارنةً بالهواء الذي يتحرك بسرعة أمام الزجاجة (أي الهواء الذي تنفخه). ونظرًا إلى أنَّ الهواء يسعى على الدوام للوصول إلى حالة التوازن، فإنَّ الهواء الموجود داخل الزجاجة (المنطقة ذات الضغط الأعلى) سيتدفق خارجًا من الزجاجة نحو المنطقة ذات الضغط الأقل، ويأخذ الكرة معه.

وعندما تدحرج الكرة إلى داخل الزجاجة بيدك، يستطيع الهواء في الوقت نفسه الخروج من الزجاجة عبر فوهتها. ولكي تنجح في نفخ الكرة إلى داخل الزجاجة، عليك أن تركز الهواء الذي تنفخه على الكرة، بدلًا من ترك الهواء يتدفق حولها. ومن الممكن لقشة المص أن تساعدك في ذلك.